UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PADOVA

DIPARTIMENTO DI INGEGNERIA INDUSTRIALE

TESI DI LAUREA MAGISTRALE IN

INGEGNERIA CHIMICA E DEI PROCESSI INDUSTRIALI

SVILUPPO DI ESPANSI POLIURETANICI DA

MATERIE PRIME RINNOVABILI CON MIGLIORATA

REAZIONE AL FUOCO

Relatore: Ch.mo Prof. Ing. Michele Modesti Correlatore:Dott. Ing. Denis Hrelja

Laureanda: Alessandra Tosato

Riassunto

Il presente lavoro di tesi si propone di valutare gli effetti introdotti dall’addizione di ritardanti di fiamma nei poliuretani espansi rigidi (PUR) realizzati con polioli prodotti a partire da materie prime rinnovabili. In particolare è stata considerata una formulazione ottimizzata in precedenti studi che utilizza polioli ricavati dall’olio di anacardo. Questi sono ottenuti dal cardanolo, composto principale del Cashew nut shell liquid (CNSL) un liquido oleoso ricavato dai gusci della’anacardo, secondo un brevetto proprietario della CimtecLab. Per migliorare il comportamento al fuoco degli espansi poliuretanici si sono testati vari additivi antifiamma, tutti halogen free, tra cui un innovativo ritardante di fiamma a base fosforo (IPA) e un nuovo sinergico pozzolanico (CRC), oltre a due antifiamma classici, la grafite espandibile (EG) e l’ossido di alluminio triidrato (ATH). Al fine di aumentare la percentuale rinnovabile dell’espanso, inoltre, si è cercato di valutare l’effetto dovuto alla presenza di composti organici di origine naturale, quali lignina e tannini, sul comportamento al fuoco. Allo scopo di valutare eventuali effetti sinergici, dopo un ampio screening iniziale volto a valutare il comportamento di ogni ritardante di fiamma singolarmente, sono state aggiunte all’espanso due o più cariche alla formulazione di base.

Per verificare l’impatto degli antifiamma citati sull’espanso si sono testate sia la stabilità termica, attraverso l’analisi termogravimetrica (TGA), sia la reazione al fuoco, attraverso i test dell’indice di ossigeno (LOI), del calorimetro a cono, del pannello radiante e i test su piccola fiamma. Poiché tali additivi influiscono anche sulle proprietà fisico-meccaniche dell’espanso, si sono valutate anche la conducibilità termica attraverso il conduttimetro, la morfologia cellulare attraverso la microscopia elettronica a scansione (ESEM) e le proprietà meccaniche con il dinamometro. Sono state inoltre determinate le cinetiche di degradazione di alcuni espansi in esame, calcolando le energie di attivazione dei vari stadi di degradazione.

Le analisi condotte sugli espansi poliuretanici opportunamente addizionati con più ritardanti di fiamma hanno permesso di mettere in evidenza un miglioramento del LOI dovuto all’effetto sinergico tra i ritardanti per quasi tutte le schiume; con lo stesso test, invece, non viene messo in evidenza nessun incremento legato alla presenza del tannino mimosa. L’azione di tale composto organico si esplica nella formazione di un char carbonioso più compatto, fatto che si evidenzia soprattutto dai test del pannello radiante e del calorimetro a cono.

Indice

Introduzione ... 1

CAPITOLO 1 – I poliuretani ... 5

1.1 Generalità e reazioni chimiche ... 5

1.2 Materie prime per la produzione degli espansi ... 8

1.2.1 Polioli ... 8 1.2.2 Isocianati ... 9 1.2.3 Catalizzatori ... 10 1.2.4 Agenti espandenti ... 10 1.2.5 Tensioattivi ... 11 1.2.6 Ritardanti di fiamma ... 12

CAPITOLO 2 – Materie prime rinnovabili ... 13

2.1 Gli oli vegetali ... 13

2.1.1 Il cardanolo e i polioli Polycard XFN ... 14

2.2 Prodotti naturali ... 16

2.2.1 La lignina ... 17

2.2.2 I tannini ... 18

CAPITOLO 3 – Comportamento al fuoco ... 21

3.1 Generalità ... 21

3.1.1 Combustione ... 22

3.1.2 Incendio ... 23

3.2 Comportamento al fuoco dei PUR ... 24

3.2.1 Processi di combustione dei polimeri ... 24

3.2.2 Meccanismi di inibizione di fiamma ... 27

3.3 Tipologie di ritardanti di fiamma ... 28

3.3.1 Ritardanti a base fosforo ... 28

3.3.2 Ritardanti a base alogeni ... 29

CAPITOLO 4 – Caratterizzazione meccanica, fisica e morfologica ... 33

4.1 Caratterizzazione meccanica: prove di resistenza a compressione. ... 33

4.2 Caratterizzazione fisica ... 34

4.2.1 Densità apparente ... 34

4.2.2 Conducibilità termica ... 35

4.3 Caratterizzazione morfologica.Microscopio elettronico a scansione (SEM) ... 38

CAPITOLO 5 – Caratterizzazione termica ... 41

5.1 Analisi termogravimetrica (TGA) ... 41

5.2 Modelli cinetici ... 42

5.2.1 Metodo di Kissinger ... 43

5.2.2 Metodo di Ozawa ... 44

CAPITOLO 6 – Caratterizzazione del comportamento al fuoco ... 45

6.1 Generalità ... 46 6.2 Normativa italiana ... 46 6.2.1 D.M. 26 giugno 1984 ... 46 6.2.2 D.M. 10 marzo 2005 e D.M. 15 marzo 2005 ... 47 6.3 Normativa europea ... 47 6.4 Indice di ossigeno ... 51 6.5 Piccola fiamma ... 52

6.5.1 Descrizione dello strumento... 52

6.5.2 Parametri determinabili dalla prova su piccola fiamma... 52

6.5.3 Procedura di prova ... 53

6.6 Pannello radiante ... 54

6.6.1 Descrizione dello strumento... 54

6.6.2 Parametri determinabili dal pannello radiante ... 57

6.6.3 Procedura di prova ... 57

6.7 Calorimetro a cono ... 58

6.7.1 Descrizione dello strumento... 58

6.7.3 Considerazioni sulla determinazione dei parametri ... 61

CAPITOLO 7 – Realizzazione dell’espanso poliuretanico rigido (PUR) ... 63

7.1 Materie prime ... 63 7.1.1 Polioli ... 63 7.1.2 Isocianato ... 64 7.1.3 Catalizzatori ... 65 7.1.4 Agenti espandenti ... 66 7.1.5 Tensioattivo ... 66 7.1.6 Ritardanti di fiamma ... 66 7.1.7 Lignina e tannini ... 67

7.2 Preparazione dei poliuretani ... 68

7.3 Formulazione dei poliuretani... 71

7.3.1 Espansi caricati con additivi naturali ... 72

7.3.2 Espansi caricati con antifiamma ... 73

7.3.3 Espansi caricati con antifiamma e tannino mimosa ... 74

CAPITOLO 8 – Risultati della caratterizzazione maccanica, fisica e morfologica ... 79

8.1 Caratterizzazione meccanica. Prove a compressione ... 79

8.2 Caratterizzazione fisica. Conducibilità termica ... 84

8.3 Caratterizzazione morfologica. Analisi ESEM ... 85

8.3.1 Morfologia ... 85

8.3.2 Diametro medio cellulare ... 88

8.3.3 Microanalisi ... 89

CAPITOLO 9 – Risultati della caratterizzazione termica ... 93

9.1 Analisi termogravimetrica (TGA) ... 93

9.1.1 Riferimento ... 93

9.1.2 Schiume caricate ... 96

9.2 Determinazione della cinetica di degradazione ... 118

9.2.1 Riferimento ... 118

9.2.2 Schiuma 10%IPA ... 126

9.2.5 Schiuma 10%IPA_10%CRC_5%mimosa ... 147

9.2.6 Schiuma 10%IPA_10%CRC_5%ATH ... 154

CAPITOLO 10 – Risultati della caratterizzazione del comportamento al fuoco ... 163

10.1 Indice di ossigeno (LOI) ... 163

10.2 Piccola fiamma ... 169

10.3 Pannello radiante ... 170

10.4 Calorimetro a cono ... 173

10.4.1 Calore rilasciato e ignizione ... 173

10.4.2 Comportamento durante la combustione: residui e meccanismo... 176

10.4.3 Comportamento durante la combustione: fumi ... 177

Conclusioni ... 181

Appendice A ... 183

Appendice B ... 187

Appendice C ... 191

Introduzione

I poliuretani espansi rigidi (PUR) sono materiali che trovano applicazione in moltissimi settori: isolanti termici per edilizia, imballaggio, trasporti refrigerati, applicazioni per l’industria automobilistica, imbottiture per arredamento, giocattoli, abbigliamento, applicazioni mediche (valvole cardiache, protesi, guanti chirurgici, ecc.). Il settore delle costruzioni e della refrigerazione, che rappresenta il maggior settore di impiego del poliuretano espanso rigido per isolamento termico, occupa il secondo posto nel mercato complessivo dei poliuretani con una quota di poco inferiore a quella del settore dell’arredamento.

I poliuretani sono dei composti organici e, come tali, sono soggetti a combustione; la loro struttura cellulare (da cui il nome di espansi, o schiume), inoltre, rende particolarmente critica questa attitudine. In presenza di un incendio, infatti, i PUR si degradano sviluppando fumi più o meno tossici, aggiungendo questo problema a quelli, già di per sé gravi, dovuti alla propagazione della fiamma. È evidente, quindi, come sia importante conoscere la reazione al fuoco di tali materiali, intesa come grado di partecipazione ad un incendio in atto. Per stabilirla esistono attualmente numerosi test, sia italiani che internazionali, e ciascuno di essi si focalizza su determinati aspetti legati alla combustione.

Negli ultimi anni si è assistito ad un continuo aumento del costo del petrolio e di conseguenza anche dei suoi derivati; se si associa tale problema all’impoverimento delle riserve di questa materia prima si spiega la crescente attenzione verso un maggiore utilizzo di materie prime legate a fonti rinnovabili, tra cui gli oli vegetali. Nel presente lavoro di tesi in particolare si sono utilizzati dei polioli ad alto contenuto biorinnovabile, a base di olio ottenuto dai gusci anacardo, forniti dalla CimtecLab.

Studi precedenti hanno dimostrato la possibilità di realizzare schiume poliuretaniche prodotte con polioli ottenuti interamente da fonti rinnovabili, che presentano proprietà fisico-meccaniche paragonabili a quelle degli espansi realizzati a partire dai tradizionali polioli di origine petrolchimica.

prove su piccola fiamma e con pannello radiante e del calorimetro a cono. Poiché tali additivi influiscono anche sulle proprietà dell’espanso, si valuteranno anche la conducibilità termica attraverso il conduttimetro, la morfologia cellulare con la microscopia ESEM e le proprietà meccaniche con il dinamometro. Sempre nell’ambito della reazione al fuoco degli espansi si studieranno le cinetiche di degradazione, sia in atmosfera ossidante che inerte, attraverso l’applicazione di metodi termogravimetrici. L’applicazione dei modelli cinetici permette il calcolo dell’energia di attivazione dei vari stadi di degradazione termica dell’espanso.

Il Capitolo 1 riguarda la chimica di base dei poliuretani, riportando le reazioni chimiche caratteristiche e le materie prime necessarie alla loro realizzazione.

Il Capitolo 2 descrive le caratteristiche dei precursori dei polioli utilizzati e introduce gli additivi di origine naturale usati come char former, la lignina e i tannini.

Nel Capitolo 3 si introducono i concetti fondamentali relativi alla combustione dei polimeri ed ai principali sistemi impiegati per l'inibizione, ovvero il ricorso a ritardanti di fiamma.

Nel Capitolo 4 si riportano le prove normate e i relativi strumenti necessari per valutare resistenza a compressione, densità apparente, conducibilità termica e la morfologia dell’espanso.

Nel Capitolo 5 si descrive lo strumento utilizzato per la valutazione della stabilità termica degli espansi oltre alla descrizione dei modelli cinetici utilizzati nello studio del meccanismo di degradazione degli espansi.

Dopo una panoramica sulla normativa concernente la classificazione della reazione al fuoco dei materiali da costruzione, nel Capitolo 6 si esaminano i test impiegati per la caratterizzazione del comportamento al fuoco ovvero l’indice di ossigeno (LOI), le prove su piccola fiamma e pannello radiante e il calorimetro a cono.

Nel Capitolo 8 si presentano le misure di resistenza a compressione, conducibilità termica e si riportano i risultati ottenuti dalla caratterizzazione morfologica degli espansi realizzati.

Nel Capitolo 9 si presentano i termogrammi ottenuti per gli espansi in atmosfera ossidante e inerte, necessari per valutare la stabilità termica dell’espanso. Nel capitolo sono inoltre riportati i risultati relativi alla determinazione delle cinetiche di degradazione.

Capitolo 1

I poliuretani

I poliuretani (PUs) rappresentano un'ampia classe di polimeri ottenibili per reazione fra diisocianati o poliisocianati con dioli o polioli. A seconda delle proporzioni di reagenti, della struttura dei polioli o degli isocianati, dei catalizzatori, delle condizioni di reazione e così via si possono ottenere schiume (rigide o flessibili), gomme, elastomeri, rivestimenti o adesivi. Più in generale i PUs sono disponibili sul mercato sia come polimeri termoplastici che come polimeri termoindurenti.

Oggetto del presente lavoro di tesi sono i poliuretani rigidi espansi (PUR) ovvero poliuretani espansi a celle chiuse. Con la dicitura rigidi si intende anche che per questi espansisi ha una deformazione del 10% a compressione solo per tensioni superiori a 80 [kPa]. I settori d’impiego sono molteplici: l’edilizia, la refrigerazione, gli imballaggi e le applicazioni per l’industria automobilistica.

La chimica alla base di questi materiali è riportata nel capitolo che segue (1,2-4).

1.1 Generalità e reazioni chimiche (

)

I poliuretani sono una classe di polimeri caratterizzati dal seguente legame caratteristico:

Figura 1.1 Legame uretano.

Esso prende il nome di legame uretano o carbammato, e si ottiene dalla reazione tra un isocianato (funzione caratteristica: -NCO) e un poliolo (funzione caratteristica: -OH), secondo lo schema riportato in Figura 1.2:

C O

Figura 1.2 Reazione che porta alla formazione di poliuretani.

Ricordando che per funzionalità di una molecola si intende il numero di gruppi reattivi presenti nella stessa, è chiaro che i reagenti, per poter dar luogo ad un polimero, devono avere funzionalità pari o superiore a due. A seconda della funzionalità, poi, si ottengono strutture lineari (f=2), ramificate o reticolate (f>2).

La reazione citata nella Figura 1.2 è esotermica e libera 24 [kcal/mol]; avviene facilmente anche a temperatura ambiente e la sua velocità dipende da diversi fattori, quali ad esempio il tipo di reagenti e di catalizzatori usati.

Occorre tener presente che l’isocianato reagisce, oltre che con i polioli, anche con composti contenenti altri gruppi funzionali, generalmente caratterizzati da idrogeni attivi (ossia legati ad atomi fortemente elettronegativi quali ossigeno/azoto). Importante è la reazione con l’acqua (1.1):

(1.1) L’acqua viene definita espandente chimico poiché l'anidride carbonica che si sviluppa nella reazione (1.1) è sfruttata per espandere la schiuma poliuretanica. La reazione dell’isocianato con l’acqua sviluppa 47 [kcal/mol] e questo calore contribuisce all’evaporazione dell’espandente fisico, essenziale per la realizzazione della struttura cellulare. Anche l’ammina che si forma è in grado di reagire nel sistema e come illustrato nella reazione (1.2) si ottiene urea disostituita.

(1.2) Si riportano si seguito altre reazioni secondarie del gruppo isocianato (1.3-1.6).



Con l’uretano a dare allofanato:

(1.3)



Con l’urea disostituita a dare biureto:

I poliuretani 7

(1.4)



Di dimerizzazione, a dare carbodimmide:

(1.5)



Di ciclotrimerizzazione, a dare isocianurato:

(1.6)

La resistenza alla termo-degradazione non è la stessa per i vari legami: essa risulta inferiore per allofanato e biureto, che si decompongono rispettivamente a 106°C e 135°C, mentre è superiore per il legame uretano (200°C), ma soprattutto per l’isocianurato (3). Quest’ultimo si decompone a temperature superiori ai 270°C e di conseguenza la reazione che porta ad esso può essere sfruttata quando interessano schiume con migliori proprietà di stabilità termica. Un riepilogo delle principali reazioni coinvolte nella chimica dell’isocianato è riportato in Figura 1.3:

Figura 1.3 Reazioni tipiche della chimica dell’isocianato nei PU (5,6).

1.2 Materie prime per la produzione degli espansi

In questo paragrafo verranno elencate e brevemente descritte le materie prime impiegate nella preparazione degli espansi rigidi poliuretanici e poliisocianurici e la funzione specifica svolta.

1.2.1 Polioli (

)

I polioli sono componenti essenziali dal momento che concorrono in gran parte nel determinare le caratteristiche finali del prodotto.

Quello che accomuna tutti i polioli è la presenza di gruppi ossidrilici reattivi anche se la reattività dei gruppi –OH è strettamente legata alla natura dell’atomo di carbonio al quale sono legati e in particolare essa è massima per gli atomi di carbonio primari e ridotta per i secondari.

I polioli per schiume rigide appartengono a due principali famiglie, al cui interno si differenziano vari prodotti:

• alifatici; • aromatici.

Alla famiglia dei polioli alifatici appartengono i poliesteri, i polieteri, alcuni amminici e alcuni polioli derivati da oli vegetali, tra cui quelli derivati dall’olio di soia, mentre alla famiglia dei polioli aromatici appartengono i polioli di Mannich, i poliesteri aromatici, alcuni polioli a base di novolacche e amminici, e infine i polioli derivati dall’olio dell’anacardo. La natura del poliolo ha un forte effetto sulle proprietà fisico-meccaniche, termiche e di resistenza al fuoco dei PUR.

I polioli si differenziano tra loro per il peso molecolare, per la struttura e la funzionalità: in particolare il peso molecolare PM e la funzionalità f , definita come il numero di legami –OH per mole di poliolo, sono essenziali nel determinare la natura degli espansi realizzati.

Al fine di realizzare schiume rigide, si utilizzano polioli caratterizzati da basso peso molecolare (inferiore ai 1500 dalton), elevata funzionalità (nel range 3÷8), e numero di ossidrile superiore a 200 [mg KOH/g]: essi consentono l’ottenimento di elevata rigidità e di un elevato grado di legami intermolecolari.

Il numero di ossidrile è espresso in termini di milligrammi di idrossido di potassio equivalenti per un grammo di poliolo:

PM f

nOH 56100 . (1.7)

I polioli aromatici, caratterizzati dalla presenza del nucleo aromatico avente bassa mobilità e elevata rigidità, hanno un forte contributo nel conferire rigidità ai poliuretani prodotti, anche con funzionalità ridotte (f = 2.3÷2.9).

I poliuretani 9

parità di numero di ossidrile e di funzionalità, i polioli con strutture aromatiche possiedono una superiore stabilità termica rispetto agli alifatici.

1.2.2 Isocianati

L’isocianato polifunzionale maggiormente utilizzato nella produzione di espansi PIR-PUR è il metano-difenil-diisocianato (MDI). La struttura dell’MDI oligomerico è riportata nell’equazione (1.8):

. (1.8)

L'indice n è compreso fra 1 e 3. L’MDI oligomerico (n>0) è preferito a quello monomerico (n=0), per diverse ragioni:

 a temperatura ambiente è liquido anziché solido, e quindi più facilmente processabile;

 è più economico;

 ha una funzionalità maggiore e quindi è più adatto alla produzione di resine termoindurenti.

La concentrazione di gruppi reattivi nell’isocianato si calcola mediante l’equazione (1.9):

100 42 _ %    PM tà funzionali NCO . (1.9)

Conoscendo tale indice, i numeri di ossidrile dei polioli presenti e la quantità d’acqua utilizzata, è possibile calcolare la quantità stechiometrica (in grammi) di isocianato necessaria per la reazione di polimerizzazione (1.10).





∑

Nella pratica di laboratorio la quantità di MDI utilizzato differisce da quella stechiometrica: infatti se ne impiega una quantità in eccesso per assicurare la completa reazione dei polioli, e in alcuni casi per ottenere isocianurati.

Della differenza tra la quantità stechiometrica e quella reale tiene conto l’indice di isocianato (I), espresso dalla relazione seguente (1.11):

1.2.3 Catalizzatori

I catalizzatori impiegati nella produzione degli espansi servono a regolare la velocità di crescita delle schiume e ad ottenere il completamento delle varie reazioni che avvengono all’interno dell’espanso poliuretanico: le reazioni principali nella realizzazione di un espanso poliuretanico sono la reazione tra polioli ed isocianato (vedi Figura 1.2), la quale forma il reticolo del polimero, e quella tra isocianato ed acqua, che contribuisce all’espansione della schiuma, nonché alla formazione del reticolo mediante legami ureici (vedi equazione 1.1). Nella produzione di un espanso poliuretanico vengono utilizzate più tipologie di catalizzatori, al fine di ottimizzare i tempi caratteristici dell’espanso (tempo di crema, di filo e di fuori impronta), e per accelerare in certe applicazioni la formazione di isocianurati.

Le reazioni vengono accelerate da ammine terziarie alifatiche con basso ingombro sterico, quali la dimetilcicloesilammina, e da alcuni composti dello stagno, quali l’ottoato di stagno. L’azione dei catalizzatori è indirizzata verso una specifica reazione:

 I catalizzatori di blow riducono il tempo di crema, accelerando lo sviluppo di anidride carbonica e quindi l’espansione della schiuma;

 I catalizzatori di gel abbassano il tempo di filo e di fuori impronta, accelerando la formazione del polimero. Tendenzialmente hanno una lieve influenza sul tempo di crema;

 I catalizzatori di trimerizzazione aumentano la resa di isocianurato, e vengono utilizzati soltanto per indici di isocianato superiori a 130;

È necessario cercare un compromesso tra la lavorabilità del materiale e un accorciamento dei tempi produttivi in funzione delle proprietà desiderate per l’espanso: infatti, riducendo il tempo di crema, resta a disposizione un tempo inferiore ai fini dell’omogeneizzazione della miscela, tuttavia se questo tempo aumenta l’espansione della schiuma è contrastata dalla reticolazione in atto, e la densità finale non sarà ottimale.

Agendo invece sui catalizzatori di polimerizzazione, un aumento dei tempi oltre i 120 secondi generalmente comporta una scarsa ritenzione dell’espandente fisico all’interno della schiuma, e l’ingresso dell’aria con un innalzamento della conducibilità termica; una riduzione del tempo di filo invece provoca una maggiore competizione con la reazione tra acqua ed isocianato, con conseguente maggiore ritenuta dell’espandente fisico e una minore densità.

1.2.4 Agenti espandenti

I poliuretani 11

Gli espandenti chimici sono sostanze che producono gas in seguito alla reazione chimica con un componente del formulato. L'esempio più importante è quello dell'acqua (reazione 1.1); altri esempi di espandenti chimici sono gli acidi carbossilici o derivati, come ad esempio l’acido formico.

Gli espandenti fisici, invece, sono sostanze volatili, liquidi bassobollenti o gas liquefacibili a bassa temperatura e/o pressione che evaporano a causa del calore liberato durante la polimerizzazione; rientrano in questa categoria di espandenti i clorofluorocarburi (CFC),

vietati dal protocollo di Montreal del 1987, gli idroclorofluorocarburi (HCFC), attualmente non

più utilizzabili, gli idrofluorocarburi (HFC) e gli idrocarburi (HC).

Le prime due generazioni di agenti espandenti fisici possedevano ottime caratteristiche dal punto di vista della lavorabilità e della sicurezza, data la loro intrinseca non infiammabilità e non tossicità, tuttavia possedevano un elevato impatto di distruzione dell’ozono atmosferico (ODP) e inoltre erano causa di un considerevole effetto serra (GWP).

La terza generazione di espandenti fisici, gli HFC, presenta un ODP pari a 0, mentre invece possiede ancora un notevole effetto serra, inoltre il loro costo relativamente elevato tende a limitarne l’impiego.

Gli idrocarburi (HC), quali il pentano e l’n-pentano, presentano minimi valori degli indici ODP e GWP, di contro però, sono intrinsecamente infiammabili; richiedono inoltre tensioattivi specifici.

I criteri chiave per la scelta dell’agente espandente sono i seguenti(4

):

 Conducibilità termica dell’espandente. Fattore importante soprattutto nel caso di materiali isolanti dallo spessore limitato;

 Facilità di utilizzo. Espandenti infiammabili (ad esempio i pentani) richiedono condizioni di sicurezza adeguate mentre espandenti basso bollenti richiedono un adeguato controllo della pressione e della temperatura;

 Solubilità dell’espandente nella matrice. Varia considerevolmente ma dovrebbe essere la minore possibile per garantire una pressione del gas nelle celle abbastanza alta ed una ridotta plasticizzazione della matrice, onde evitare problemi strutturali.

1.2.5 Tensioattivi

I tensioattivi vengono aggiunti alla formulazione degli espansi principalmente per la loro capacità di ridurre la tensione superficiale del poliolo favorendo così l’emulsione e la compatibilità tra i reagenti e regolando la crescita dell’espanso.

Impiegare tensioattivi di tipo siliconico permette di non influenzare in maniera significativa il comportamento al fuoco del polimero.

caratterizzata da celle di grandi dimensioni. È stato dimostrato che una quantità eccedente non comporta alterazioni della struttura cellulare.

I tensioattivi sono importanti nel prevenire il collasso dell’espanso durante la crescita, e stabilizzano la struttura fino a che la schiuma si auto-sostiene. La scelta del tensioattivo concorre nel determinare la percentuale di celle chiuse dell’espanso ed aumenta la resistenza meccanica della schiuma.

In Figura 1.4 è riportata la struttura di un tensioattivo.

Figura 1.4 Struttura di un tensioattivo.

1.2.6 Ritardanti di fiamma

Le schiume poliuretaniche e poliisocianuriche sono intrinsecamente combustibili e necessitano pertanto l’utilizzo di sostanze che vadano ad interferire nel processo di combustione.

I ritardanti di fiamma servono a contrastare il processo di combustione di un polimero e possono agire in fase gas e/o solida, secondo svariati meccanismi:

 diluizione della miscela gassosa tramite gas inerti;

 raffreddamento della fiamma mediante reazioni endotermiche;

 inibizione delle reazioni di propagazione chimica della fiamma;

 formazione di char;

 intumescenza;

 fusione del materiale.

Capitolo 2

Materie prime rinnovabili

Nel Capitolo 2 si descrive il precursore dei polioli utilizzati, il cardanolo, trattandone la chimica di base e l’impatto ambientale e alcune cariche di origine naturale, la lignina e i tannini.

2.1 Gli oli vegetali

Il mercato è da tempo orientato verso l’uso di materiali eco-sostenibili dal basso impatto ambientale, che consentano di ridurre la dipendenza dal petrolio con lo scopo principale di sostituire i polimeri di origine petrolchimica mediante derivati di origine rinnovabile.

Gli oli vegetali e i loro derivati sono usati nella chimica dei polimeri grazie alla loro natura rinnovabile di anno in anno, alla relativa facilità nel reperirli in svariati ambienti geografici, al loro basso costo e al basso impatto ambientale. Uno svantaggio di questi oli è la loro variabilità intrinseca legata alla tipologia di pianta da cui sono ricavati, nonché alla stagione, alla provenienza geografica, alle condizioni di crescita e allo specifico raccolto.

I costituenti principali degli oli vegetali sono i trigliceridi (detti anche triacilgliceroli), prodotto di esterificazione della glicerina con tre molecole di acidi grassi: questi ultimi costituiscono il 95% in peso delle molecole dei trigliceridi e il loro contenuto è caratteristico di ogni tipologia di olio vegetale.

Si usa la terminologia di olio per trigliceridi che sono allo stato liquido a temperatura ambiente.

Tabella 2.1 Composizione di acidi grassi in vari oli vegetali(10).

Gli oli più utilizzati nello sviluppo di poliuretani sono stati finora l’olio di ricino(8,9

), già contenente gruppi ossidrili senza necessità di modifiche chimiche, l’olio di girasole, di lino e l’olio di soia.

Recentemente sono stati introdotti nel mercato dei prodotti chimici derivati dall’olio di anacardo distillato, il cardanolo, mediante i quali sono stati realizzati polioli di tipo aromatico. In questo lavoro di tesi sono stati utilizzati dei polioli ricavati da cardanolo, sviluppati secondo ricette proprietarie della CimtecLab.

2.1.1 Il cardanolo e i polioli Polycard XFN

Il cardanolo è una miscela di alchil-fenoli che si ottiene dalla distillazione del Cashew nut shell liquid (CNSL), un sottoprodotto oleoso dell’industria manifatturiera legata al trattamento del frutto dell’anacardo (Anacardium occidentale L.), la cui coltivazione è molto diffusa nelle aree sub-tropicali e in particolare India e Brasile.

Il CNSL è un olio alchilfenolico contenuto nel mesocarpo spugnoso del guscio della noce dell’anacardo, e rappresenta quasi il 25% del peso totale delle noce che è di circa 6 [g]; viene ottenuto come sottoprodotto da processi si lavorazione meccanici per l’uso alimentare del gheriglio di anacardo. Rappresenta inoltre una fonte di inquinamento in quanto i residui delle noci di anacardo attualmente vengono bruciate o disperse nell’ambiente, per cui il suo sfruttamento non solo non ha alcuna ripercussione sulle risorse destinate all’alimentazione umana, ma consente di ridurre la quantità di rifiuti immessa nell’ambiente. La CimtecLab ha recuperato questi scarti e portato sul mercato prodotti ambientalmente sostenibili, realizzando un risparmio energetico a basso costo e svincolandosi dalla sintesi del petrolio per realizzare materiali si uso comune. Il prodotto ottenuto, a differenza di altri prodotti derivanti da fonti vegetali, è in grado di sostituire efficacemente e senza alcun impatto sulla catena alimentare, molecole funzionalmente simili, derivate dal petrolio, in numerose applicazioni tipiche dell’industria delle materie plastiche.

Acido grasso

Ricino Soia Lino Girasole

Materie prime rinnovabili 15

I componenti principali del CNSL sono riportati nella Figura 2.2:

Figura 2.2 Composti principali presenti nel CNSL(7).

I composti dell’estratto oleoso della noce dell’anacardo sono dunque aromatici, e caratterizzati dalla presenza di una catena contenente 15 atomi di carbonio ad elevato grado di insaturazione. Il cardanolo è il composto prevalente nel CNSL, con una percentuale del 50%; seguono l’acido anacardico al 28-30%, il cardolo al 9-10% e il rimanente è composto da altri fenoli quali il metil-cardolo.

A seguito della distillazione, l’acido anacardico viene decarbossilato e forma cardanolo con elevate rese: il distillato tecnico di CNSL è costituito essenzialmente da cardanolo, presente all’80% circa, dall’8% di cardolo e altri fenoli di minore importanza.

Secondo il brevetto della CimtecLab, la produzione dei polioli derivati dal cardanolo avviene secondo i seguenti step:

 Recupero del CNSL dalla lavorazione meccanica delle noci di anacardo;

 Distillazione del CNSL, con aumento della percentuale relativa di cardanolo nella miscela costituita in partenza da cardanolo saturo, monoene di cardanolo, diene, triene di cardanolo;

 Condensazione del cardanolo o della miscela di derivati del cardanolo con un’aldeide, un acetale, o con un fenolo ed un’aldeide; le aldeidi utilizzate sono alchiliche o acriliche. Il cardanolo ottenuto può venire idrogenato o meno. Si sono ottenuti dei polioli secondo differenti modalità di svolgimento della reazione di condensazione:

o Condensazione in presenza di un solvente alogenato e di un catalizzatore di Lewis: ―poliolo I‖;

o Condensazione in presenza di paraformaldeide in presenza di dietanolammina: ―poliolo II‖;

o In presenza di un azide, vi è un ulteriore reazione di cicloaddizione di un alchino in presenza di catalizzatori a base di rame: ―poliolo IV‖;

o Funzionalizzazione dei gruppi fenolici –OH mediante epicloridrina, ottenimento di anelli ossiranici e apertura dei suddetti anelli: ―poliolo V‖; o Funzionalizzazione dei gruppi fenolici –OH mediante epicloridrina,

epossidazione della struttura polifenolica mediante peracidi con ottenimento di anelli ossiranici; successiva apertura degli anelli ossiranici mediante un azide e ulteriore reazione di cicloaddizione di un alchino in presenza di catalizzatori a base di rame: ―poliolo VI‖.

Figura 2.4 Struttura dei polioli derivati dal cardanolo, dove i sostituenti Ri sono costituiti

da catene alchiliche, fenoliche, o da composti dell’azoto quali azidi(12).

2.2 Prodotti naturali

Negli ultimi anni si è sviluppata una sempre maggiore attenzione verso l’utilizzo di materie prime provenienti dai processi si lavorazioni del legno, con il duplice scopo di evitare la perdita di prodotti utilizzabili e assicurare un completo sfruttamento del materiale con lo scopo di ridurre gli impatti ambientali.

Materie prime rinnovabili 17

2.2.1 La lignina

Con il termine lignina si identifica una molecola costituita da una rete polimerica tridimensionale, amorfa e casuale che non possiede una struttura ben definita, uniforme e omogenea e delle unità ripetitive ben precise. Dopo la cellulosa, è il biopolimero più abbondante e costituisce circa il 15-30% del legno e il 12-20% delle colture annuali(24). I principali gruppi funzionali che si possono incontrare in questa molecola, sono i gruppi ossidrile, metossi, carbonile e carbossile, il cui contenuto dipende dall’origine e del particolare processo di estrazione utilizzato. Un esempio di struttura molecolare della lignina è riportata in Figura 2.5.

Figura 2.5 Esempio di struttura di una molecola di lignina.

La maggior parte della lignina commercialmente disponibile è soprattutto kraft lignina o lignosulfonata in relazione ai processi industriali di delignificazione prevalentemente utilizzati. Questa è largamente sfruttata in dispersione o come legante, e solo una piccola parte è usata per produrre specialty come la vanillina e il dimetilsulfossido (DMSO).

Grande diffusione presenta la lignina desolfonata, sia per motivi di tipo ambientale, sia a causa dell’inferiore capitale associato alla tecnologia utilizzata. Essa può essere ottenuta attraverso tre vie:

2. Pulping con solvente (processo Organosolv): la lignina ottenuta per questa via è di elevata purezza e si ottengono prodotti con peso molecolare abbastanza basso e distribuzione stretta; presenta bassa temperatura di transizione vetrosa e alta solubilità nei solventi organici.

3. Pulping con soda: da questa tipologia di processo di ottiene la lignina maggiormente disponibile, a causa della scarsa diffusione della produzione di carburante liquido da biomassa. È recuperata da materie prime non lignee quali paglia, canna da zucchero, lino attraverso un processo di precipitazione, seguito da una separazione solido/liquido e asciugatura. Il problema principale di questa tipologia di processo è dovuto alla possibile presenza di silice che precipitando riduce la purezza della lignina.

Si utilizza la lignina nei polimeri in relazione alla sua capacità di formare un elevato char ad alte temperature e in atmosfera inerte, aspetto fondamentale degli additivi ritardanti di fiamma, in quanto diminuisce la velocità di combustione del materiale(25).

Il principale problema legato all’utilizzo della lignina nei poliuretani è dovuto alla friabilità delle schiume ottenute.

2.2.2 I tannini

I tannini sono molecole organiche naturali presenti in una gran numero di sostanze vegetali, e sono un valido aiuto alle piante contro insetti e funghi. Con il termine tannini si indicano polimeri dei composti fenolici vegetali che presentano determinate caratteristiche chimico-fisiche quali la solubilità in acqua, un peso molecolare compreso tra 500 e 3000 dalton e la capacità di interagire con le proteine e le poliammidi. Si dividono prevalentemente in due famiglie in relazione a struttura e origine: tannini idrolizzabili e condensati. In Figura 2.6 sono riportate se strutture di entrambe le tipologie.

(a) (b)

Figura 2.6 Struttura molecolare tannini condensati (a) e idrolizzabili (b).

Materie prime rinnovabili 19

disponibili, poco costosi e presentano proprietà abbastanza costanti, caratteristiche poco frequenti soprattutto per risorse di origine naturale. L’anello aromatico (A) del tannino è legato con uno o due gruppi ossidrile, ed è rispettivamente chiamato resocinolo o floroglucinolo; il secondo anello aromatico (B), invece, può avere due o tre gruppi ossidrile e prende il nome rispettivamente di catecolo o anello pirogallolo. Le diverse configurazioni di (A) e (B) possono essere combinate dando quattro differenti flavonoidi, ognuno con un proprio nome.

I tannini idrolizzabili, invece, sono copolimeri degli acidi gallico e/o ellagico uniti agli zuccheri (solitamente glucosio) e vengono infatti anche denominati rispettivamente tannini gallici e tannini ellagici. Non si conosce la precisa struttura dei polimeri, tuttavia mediante idrolisi parziale con acidi deboli si possono individuare vari segmenti e hanno elevato peso molecolare. Ad elevate temperature si decompongono dando pirogallolo, un composto irritante e tossico.

La fonte più ricca di tannini è la corteccia delle piante come quercia, abete, castagno e acacia. Per questo lavoro di tesi si sono prese in considerazione tre diverse tipologie di tannini, due condensati, mimosa e quebracho, e uno idrolizzabile, castagno. In realtà l’attenzione si è poi concentrata prevalentemente sul tannino mimosa. La mimosa (Acacia mearsii) è un tannino condensato, che presenta l’aspetto di una polvere fine di colore marrone chiaro. La polvere di tannino è ottenuta solitamente attraverso un lavaggio dell’estratto della corteccia della mimosa.

Capitolo 3

Comportamento al fuoco

Le schiume poliuretaniche sono altamente infiammabili a causa della loro struttura cellulare. Inoltre questi materiali bruciando rilasciano fumi densi (ridotta visibilità) e gas molto tossici come acido cianidrico e monossido di carbonio. Lo studio della stabilità termica e dei processi di degradazione permette di determinare le condizioni ottimali di impiego dei poliuretani e pone le basi per il miglioramento delle loro performance.

Nel Capitolo 3 si desiderano pertanto introdurre i concetti fondamentali relativi alla combustione dei polimeri ed ai principali sistemi impiegati per l'inibizione, ovvero il ricorso a ritardanti di fiamma.

3.1 Generalità

Qualsiasi sostanza organica, in particolari condizioni di temperatura e concentrazione di ossigeno, brucia. La presenza della fiamma dà luogo a tutta una serie di trasformazioni chimico-fisiche che costituiscono il cosiddetto comportamento al fuoco. Esso dipende, oltre che dal tipo del materiale, anche da diversi altri fattori quali il tipo di innesco, la forma e la posizione dell’oggetto rispetto alla fiamma, l’umidità relativa. In particolare, il comportamento al fuoco può essere valutato sotto due diversi aspetti:

 la reazione al fuoco, ossia il grado di partecipazione di un materiale combustibile ad un incendio in atto;

 la resistenza al fuoco, ossia la capacità di un materiale strutturale di conservare stabilità, tenuta e isolamento richiesti per un determinato tempo prefissato.

I polimeri cellulari, in genere, presentano un comportamento al fuoco decisamente critico a causa della bassa densità e della bassa inerzia termica: tutto ciò comporta il raggiungimento in tempi brevi di temperature elevate e di conseguenza un’elevata velocità di degradazione del polimero stesso.

3.1.1 Combustione

La combustione è una reazione chimica di ossidazione che comporta lo sviluppo di luce e calore. Tre sono gli elementi necessari per la combustione:

 una (o più) sostanza combustibile;

 una (o più) sostanza comburente;

 una fonte di innesco.

L'insieme di queste tre componenti costituisce il cosiddetto triangolo del fuoco. Se manca anche solo uno di questi elementi la combustione non avviene. In certi casi, per combustibili solidi, può anche essere assente la fonte di innesco se si supera una certa temperatura, che viene detta temperatura di autoaccensione, o autoignizione: in tal caso, però, è proprio il gradiente termico a fungere da innesco.

Durante la combustione le molecole di ossigeno si combinano con gli atomi di una sostanza combustibile, tipicamente con il carbonio e con l’idrogeno, sviluppando composti detti prodotti di combustione quali gas combustibili, gas non combustibili, particelle solide (fuliggine) e residui carboniosi (char) (13).

Sono necessarie alcune precisazioni:

 possono bruciare solo materiali in fase gas: per solidi o liquidi è necessario un preventivo passaggio in fase vapore;

 una miscela gassosa può bruciare solo se la concentrazione di gas combustibile è compresa nel cosiddetto intervallo di infiammabilità. Al di fuori di tale intervallo la combustione non si può mantenere, o per difetto di combustibile (sotto il limite inferiore di infiammabilità) o per difetto di comburente (sopra il limite superiore);

 esistono due temperature significative ai fini della combustione: la prima prende il nome di flash point e corrisponde alla temperatura minima in cui un solido sviluppa una quantità di gas tale da formare una miscela infiammabile con l’aria; in presenza di innesco tale miscela dà luogo alla combustione. La seconda si definisce temperatura di autoaccensione o ignizione o autoignizione ed è quella oltre la quale la combustione si avvia anche senza innesco.

Comportamento al fuoco 23

Figura 3.1 Limiti per la combustione di materiali polimerici termoindurenti(15).

Si desidera inoltre ricordare che nel caso dei poliuretani rigidi espansi il polimero si decompone prima di fondere essendo termoindurente: questa decomposizione può essere un processo esotermico tale da innalzare la temperatura al di sopra del flash point e sviluppare una quantità di gas combustibili sufficiente a raggiungere il limite inferiore di infiammabilità(14). Considerando inoltre che esso è un processo irreversibile, si intuisce come la temperatura di decomposizione iniziale rappresenti spesso la temperatura massima ammessa.

3.1.2 Incendio(

)

Si definisce incendio una qualsiasi combustione che sfugge al controllo dell’uomo. Esso è un fenomeno complesso e quindi difficilmente schematizzabile. Tuttavia la dinamica dell'incendio si può descrivere in quattro fasi caratteristiche:

 ignizione;

 propagazione;

 incendio generalizzato;

 declino.

Figura 3.2 Curva ideale di progressione di un incendio(13).

Nelle due fasi iniziali dell'incendio le fiamme sono localizzate e le temperature sono contenute; picchi si riscontrano in prossimità delle fiamme. Risulta quindi possibile intervenire per limitare i danni con pochi rischi e buone probabilità di successo. Nella terza fase, detta incendio generalizzato o flash over ha inizio lo stadio di massimo rilascio del calore (circa a 600°C). Tutti gli oggetti in un ambiente chiuso sono coinvolti dalla combustione, avendo tutti raggiunto la temperatura di ignizione. La miscela di gas infiammabili infatti causa la rapida propagazione delle fiamme che a loro volta portano alla decomposizione del materiale solido e quindi alimentano ulteriormente l’incendio. In questa fase si registrano le temperature più alte, circa 1000°C. Con l’esaurirsi del combustibile o del comburente, o in seguito ad operazioni di contrasto, la temperatura inizia a scendere, fino a che l’incendio si estingue (indicativamente sotto i 200°C): è la fase conclusiva, quella di declino o estinzione.

3.2 Comportamento al fuoco dei PUR

Una caratteristica che contraddistingue i polimeri cellulari in genere, e quindi anche gli espansi PUR, è la bassa conducibilità termica. Per le schiume poliuretaniche rigide valori ottimali della conducibilità termica sono nel range 0.019 –0.026 [𝑊⋅𝑚−1⋅𝐾−1]. Quando la loro

superficie è esposta alla radiazione essi disperdono una quantità trascurabile di calore, per cui raggiungono velocemente la temperatura di degradazione.

3.2.1 Processi di combustione dei polimeri

Comportamento al fuoco 25

ultimi, infatti, velocità e composizione dei gas possono essere regolati in maniera arbitraria; nel caso di matrici polimeriche, invece, il combustibile è fornito dal materiale solido in maniera progressiva, man mano che esso si degrada. E’ chiaro, quindi, che velocità e composizione dei gas sono variabili, in quanto dipendono da diversi fattori, quali intensità del riscaldamento esterno, temperatura di inizio decomposizione, cinetica di decomposizione. Il meccanismo di combustione può essere schematizzato come in Figura 3.3.

Figura 3.3 Meccanismo di combustione (14).

Sotto l’azione di una fonte di calore, il substrato solido comincia a pirolizzare, sviluppando combustibile e calore (ΔH2); questo combustibile si combina con l’ossigeno e viene bruciato

dalla fiamma. Il calore sviluppato dalla fiamma può tornare al substrato e continuare la pirolisi (ΔH1) oppure essere disperso nell’ambiente esterno (ΔH3). In ogni caso affinché la

combustione abbia luogo deve sussistere equilibrio tra i vari processi coinvolti.

Durante la combustione di un polimero, nello specifico un poliuretano, si possono distinguere quattro fasi. Si desidera descriverle brevemente.

1.

Preriscaldamento

In questa fase il polimero si riscalda soggetto ad una sorgente esterna: il grado di riscaldamento è funzione dell’intensità termica della sorgente stessa, della conducibilità termica del materiale e del suo calore specifico. I polimeri cellulari presentano una modesta conducibilità termica; questo consente un rapido aumento della temperatura e quindi il raggiungimento in tempi brevi delle condizioni critiche già discusse. Entro i 120-140°C avviene il rilascio dell'umidità e di altri gas intrappolati (3).

2.

Decomposizione (

)

Contemporaneamente si forma uno strato carbonioso detto char. Oltre alla pirolisi, in presenza di ossigeno possono avvenire anche reazioni di ossidazione del substrato: in questo caso la velocità di degradazione del polimero dipende, oltre anche dalla diffusione dell’ossigeno attraverso la superficie esposta.

3.

Ignizione

Man mano che la decomposizione procede, cresce la quantità di gas combustibili sviluppati, fino a che la miscela formata di norma con l’aria rientra nell’intervallo di infiammabilità. E’ chiaro che l’ignizione dipende anche dalla temperatura: a seconda della presenza o meno della fonte di innesco diventano significativi il flash point o la temperatura di autoignizione.

4.

Combustione e propagazione

L’ultimo stadio corrisponde alla combustione propriamente detta. In questa fase vengono progressivamente riscaldate nuove zone del materiale che raggiungono quindi a loro volta la temperatura di degradazione. In presenza d'aria il char carbonioso viene completamente ossidato attorno ai 510°C (3) altrimenti. Se la combustione avviene anche dopo la rimozione dell’innesco esterno, essa si definisce autopropagante; in tal caso il calore sviluppato alimenta sia la pirolisi che l'ignizione. In caso contrario la combustione cessa, a meno che non venga fornita una sorgente esterna di calore. Il processo di combustione è ovviamente influenzato da diverse variabili, tra cui:

 velocità di generazione del calore e di trasferimento del calore alla superficie;

 natura della superficie (struttura chimica e geometria);

 velocità di decomposizione.

La rappresentazione della propagazione della fiamma è schematizzata in Figura 3.4.

Comportamento al fuoco 27

L’estensione della fiamma è legata ovviamente anche al calore di combustione del polimero: più alto è tale calore, maggiore sarà la quantità di calore liberato nella fiamma per sostenere il ciclo di bruciatura.

3.2.2 Meccanismi di inibizione di fiamma

La combustione, come più volte ripetuto, riguarda due fasi:

 la fase gas, in cui avvengono le reazioni radicaliche della fiamma;

 la fase solida, che decomponendosi fornisce il combustibile.

Si evince quindi che l’inibizione della fiamma si può ottenere agendo su queste fasi, sia singolarmente che simultaneamente su entrambe.

Inibizione in fase condensata. Con riferimento alla Figura 3.3 si può affermare che tale meccanismo di inibizione di fiamma consiste nel ridurre la quantità di gas combustibile che si sviluppa dal substrato del polimero in decomposizione (in tal modo si riduce anche ΔH2).

L’azione antifiamma di un ritardante che agisce in fase condensata si esplica, principalmente, nel favorire la formazione del char. Esso ricopre il materiale sottostante, limitandone la degradazione e quindi lo sviluppo di gas e contemporaneamente ostacola la diffusione di tali gas verso la fiamma e del comburente verso il cuore del materiale. Si deduce quindi come siano importanti le caratteristiche del char, prima fra tutte l’aderenza al substrato: se esso non è aderente, infatti, tende a sfaldarsi, esponendo alla fiamma una superficie via via sempre nuova. Inoltre un char compatto è comunque più efficiente di uno poroso e quest’ultimo risulta migliore se è espanso (sistema intumescente) (3) e a celle chiuse anziché a celle aperte per migliorare le proprietà di isolamento termico.

Va detto infine che i ritardanti di fiamma che svolgono il loro ruolo in fase condensata, per garantire una certa efficienza, devono essere presenti in grandi quantità nel polimero e questo è ovviamente uno svantaggio.

Inibizione in fase gas. In questo caso l’inibizione non agisce sulla pirolisi del substrato, bensì direttamente sulla fiamma: con riferimento alla Figura 3.3 in questo caso ΔH2 rimane costante

mentre invece cala ΔH1; riducendosi la quantità di calore liberata, quindi, si rallenta la

3.3 Tipologie di ritardanti di fiamma

In questo paragrafo si desiderano riassumere le principali tipologie di ritardanti impiegati commercialmente e i relativi meccanismi d'azione. In riferimento a quest'ultimo scopo occorre evidenziare che non è semplice stabilire con precisione il meccanismo con cui operano i vari ritardanti di fiamma: il motivo risiede nel fatto che spesso i meccanismi sono molteplici e si influenzano l’un l’altro. Il prevalere di uno o dell’altro dipende da diversi fattori quali natura del ritardante di fiamma, tipo di polimero, presenza di altri materiali nonché le condizioni di combustione. Inoltre, come già riportato, i ritardanti di fiamma possono essere usati vantaggiosamente in combinazione tra loro quando l’effetto che ne risulta è sinergico(5

). Particolarmente interessante risulta l’azione sinergica: essa, in pratica, si riferisce al fatto che l’uso combinato di due o più ritardanti risulta più efficacie di un impiego singolo.

In linea generale si distinguono tre principali categorie di antifiamma:

 ritardanti a base fosforo;

 ritardanti a base alogeni;

 ritardanti inorganici.

3.3.1 Ritardanti a base fosforo

Riguardo a questa tipologia di ritardanti di fiamma si è evidenziata la capacità di agire attraverso svariati meccanismi. La loro azione, infatti, si è provata essere rivolta sia alla fase condensata che a quella gassosa (2,3,15), con meccanismi sia chimici che fisici: a seconda delle condizioni di combustione, del substrato polimerico e del ritardante utilizzato prevarrà l’uno o l’altro meccanismo.

Per quanto riguarda la fase condensata essi sono efficaci promotori di char, specie nei polimeri contenenti ossigeno, quali ad esempio i poliuretani espansi rigidi. Oltre a ciò:

 sviluppo d’acqua (che diluisce i gas combustibili);

 reazioni endotermiche (che sottraggono calore).

Durante l’azione in fase condensata il ritardante viene convertito in acido fosforico e quindi in acido metafosforico (14,15): quest’ultimo, poi, polimerizza e si decompone ad alte temperature. Mediante la disidratazione della matrice polimerica favorisce la formazione dello strato carbonioso; inoltre la presenza del fosforo inibisce la completa ossidazione del carbonio, favorendo il ritardo della fiamma. Per alcuni polimeri (ad esempio la cellulosa) si è riscontrata una sinergia tra fosforo e azoto: composti come la melammina o le uree potenzierebbero l’azione svolta dal fosforo (16

). Non da ultimo va segnalato come i ritardanti a base fosforo possano dare luogo a sistemi intumescenti: lo schema classico è costituito da (3):

 agente disidratante (composto contenente fosforo come ad esempio APP);

Comportamento al fuoco 29

 agente espandente detto spumifico (sostanze contenenti azoto come la melammina). In alcuni casi, come ad esempio nelle fibre di PET, i ritardanti a base fosforo possono favorire la fusione del polimero, permettendo ad esso di sottrarsi alla fiamma. Infine si ricorda che spesso si impiegano ossidi metallici nel ruolo di co-additivi per favorire la reticolazione e quindi l'irrobustimento del char che diventa meno voluminoso e più isolante.

Per quanto riguarda la fase vapore, invece, essi risultano degli efficienti inibitori radicalici (meccanismo di tipo chimico), sia con meccanismi fisici di dissociazione termica.

Infine, in riferimento alle interazioni con altre sostanze, oltre alla già citata sinergia con gli alogeni, si possono citare le seguenti:

 comportamento antitetico con l’antimonio: i due elementi tendono ad annullare gli effetti benefici antifiamma l’uno dell’altro. Probabilmente ciò è dovuto alla formazione di un composto, il fosfato di antimonio, che è molto stabile e che risulta praticamente inefficace come agente antifiamma;

 comportamento sinergico con le cariche minerali: i casi studiati riguardano le interazioni con l’allumina idrata e, nei sistemi intumescenti, con ossidi di titanio e zeoliti; gli effetti sono stati favorevoli in entrambi i casi.

3.3.2 Ritardanti a base alogeni

Come visto sopra, le reazioni che stanno alla base della propagazione della combustione sono di tipo radicalico; più precisamente sono le seguenti (5):

H· + O2 → OH· + O· (3.1)

OH· + CO → CO2+ H· (3.2)

I ritardanti a base alogeni agiscono in fase gas e inibiscono la combustione rallentando le reazioni (3.1) e (3.2). La reazione (3.1) è responsabile della propagazione della combustione; la reazione (3.2) è molto esotermica ed è responsabile della maggior parte dell'energia che alimenta le fiamme (5).

Il meccanismo si articola in diversi stadi, il primo dei quali prevede la dissociazione dell’antifiamma e la liberazione di radicali alogeni come di seguito riportato (3.3).

MX → M· + X· (3.3)

polimero, in modo che i radicali alogeni (o gli idracidi) possano intervenire nel momento opportuno. Lo stadio successivo prevede (se non già avvenuta) la formazione dell’idracido, mediante reazione con il gas combustibile (3.4):

RH + X· → R· + HX (3.4)

L’idracido che si sviluppa reagisce con i radicali H· e OH· in maniera competitiva rispetto alle reazioni (3.1) e (3.2):

H· + HX → H2+ X· (3.5)

OH· + HX → H2O + X· (3.6)

L’efficacia come inibitore dipende dallo specifico alogeno e in particolare dalla forza del legame C-X, ossia tra esso e il carbonio. In ordine crescente di forza di legame si ha la seguente catena di disuguaglianze (3.7):

C-I < C-Br < C-Cl << C-F (3.7)

Tale ordine è decrescente in termini di efficacia da parte del ritardante. Il legame C-F è troppo forte per essere effettivamente rotto per cui, non essendo il radicale fluoro direttamente disponibile, i ritardanti fluorurati sono scarsamente efficaci. Al contrario il legame C-I è troppo debole e quindi il radicale iodio viene liberato troppo presto. Rimangono quindi impiegabili efficacemente i ritardanti a base di cloro e bromo: di questi il migliore è il bromo, fondamentalmente perché il legame C-Br è più debole del legame C-Cl, per cui esso risulta più facilmente disponibile.

Oltre al meccanismo chimico appena esposto, si ritiene che tali ritardanti svolgano anche un’azione di tipo fisico, diluendo i gas combustibili e quindi riducendo il calore sviluppato dalla fiamma: ecco perché risultano importanti alcuni fattori fisici quali densità, massa e capacità termica degli alogeni in questione.

I meccanismi fondamentali dei composti a base di alogeni nei poliuretani prevedono (15):

 Formazione di radicali (azione in fase gas);

 Promozione del char tramite reazioni di deidrogenazione (azione in fase condensata);

 Formazione di uno strato protettivo non combustibile a base di alogenuri.

3.3.3 Ritardanti inorganici

Ad ampia gamma di applicazione sono gli idrossidi metallici. Molto usati sono l’ATH, allumina tri-idrata (Al2O3·3H2O) e l’idrossido di magnesio (Mg(OH)2). L’azione si può

Comportamento al fuoco 31

 A temperature sufficientemente elevate s’innesca la decomposizione endotermica di tali sostanze e conseguente raffreddamento del sistema1;

 La decomposizione porta al rilascio di acqua che diluisce i fumi responsabili della riduzione della visibilità e che crea una specie di barriera liquida sulla superficie del polimero;

 Si forma un ossido anidro residuo che funge da barriera;

 Il carbonio derivante dalla degradazione del polimero si deposita sull’ossido metallico formatosi; durante la combustione tale carbonio risulta ossidato ad anidride carbonica con conseguente ulteriore abbattimento dei fumi.

Tali sostanze hanno un costo ridotto, ma richiedono concentrazioni piuttosto elevate per poter esplicare la loro funzione. L’ATH e l’idrossido di magnesio sono spesso impiegati insieme visto l’effetto sinergico che ne deriva (decomponendosi a diverse temperature permettono di coprire un range di temperature più ampio). In particolare l’ATH è spesso impiegata in sinergia anche con il dimetilfosfonato (DMPP) e il triossido di antimonio (Sb2O3).

Oltre agli idrossidi si impiegano anche svariati ossidi a base di zinco, ferro, titanio soprattutto in sinergia con nanocariche.

3.3.4 Effetti sinergici(

)

Come già detto in precedenza l’utilizzo di miscele ritardanti di fiamma, ciascuno utilizzato in particolari rapporti, può dar luogo ad un effetto sinergico, ossia si può ottenere un’azione di ritardo alla fiamma migliore rispetto alla somma delle azioni dei singoli. Questo è ad esempio il caso della miscela di ammonio polifosfato e melammina già citata al §3.3.1: utilizzando tali ritardanti in opportuni rapporti si può ottenere un sistema intumescente; la formazione di char intumescente costituisce un efficace sistema di protezione per il materiale polimerico.

Un sistema intumescente è costituto da un catalizzatore, da un formatore di char e da un agente espandente; il modo d’azione di questi tre composti è riassumibile nel modo seguente:

1. il catalizzatore si degrada per formare un acido;

2. l’acido formato disidrata il formatore di char con conseguente formazione dello strato

carbonioso;

3. l’agente espandente si decompone sviluppando prodotti gassosi. Questi prodotti causano il

rigonfiamento del char con conseguente ottenimento di uno strato isolante.

Nel caso citato il catalizzatore, l’agente espandente e il formatore di char sono costituiti rispettivamente da ammonio polifosfato, melammina e polimero. La sinergia ottenuta con questo tipo di sistema è dovuta al fatto che si ottiene uno strato carbonioso a struttura

1 _{L’acqua di cristallizzazione viene liberata a circa 220°C per l’ATH e 330°C per l’idrossido di magnesio,}

secondo le reazioni: Al2O3·3H2O →Al2O3+ 3H2O(ΔH = -280 Kcal/kg) e Mg(OH)2→MgO + H2O (ΔH = -320

cellulare, che limita maggiormente il riscaldamento del polimero rispetto al char non cellulare. Va precisato come possa succedere che le condizioni di degradazione siano tali per cui non si abbia la formazione del sistema intumescente; in tal caso viene meno anche l’azione sinergica.

Capitolo 4

Caratterizzazione meccanica, fisica e

morfologica

Al fine di valutare le caratteristiche dell’espanso, il presente Capitolo 4 tratterà delle prove normate e dei relativi strumenti necessari per misurare: resistenza a compressione, densità apparente e conducibilità termica. Si definisce inoltre la tecnica utilizzata per l’esecuzione delle analisi morfologiche.

4.1 Caratterizzazione

meccanica:

prove

di

resistenza

a

compressione.

Le caratteristiche meccaniche di un materiale sono di fondamentale importanza nel valutare l’adeguatezza di questo ad essere impiegato per specifici scopi. Le proprietà meccaniche dipendono da vari fattori: la formulazione, le modalità di produzione, le condizioni di temperatura ed umidità del luogo di produzione e così via.

La prova si esegue secondo la norma UNI 6350 su almeno cinque provini cubici di lato pari a 5 [cm], posti tra due superfici che si muovono a velocità costante di 5 [mm/min]. Il valore della resistenza a compressione s’ottiene dividendo il carico massimo applicato per la superficie iniziale ed si esprime in [kPa]; se la curva sforzo-deformazione non presenta massimo si utilizza il valore del carico al 10 [%] di deformazione.

Si consideri che, essendo gli espansi poliuretanici materiali anisotropi, risulta necessario effettuare la prova sia lungo la direzione di crescita della schiuma, sia lungo la direzione perpendicolare. Maggiore è l’anisotropia del materiale, maggiore sarà la differenza fra la resistenza a compressione parallela alla direzione di crescita e quella perpendicolare. L’aumento di anisotropia del materiale viene valutato mediante l’indice di isotropia dell’espanso (FII), pari al rapporto tra la resistenza a compressione parallela alla direzione di crescita rispetto a quella perpendicolare.

Figura4.1 Dinamometro SUN 2500.

4.2 Caratterizzazione fisica

4.2.1 Densità apparente

La densità apparente rappresenta il rapporto fra la massa ed il volume del materiale e viene espressa in [kg/m3]. La densità della schiuma è uno dei parametri fondamentali che concorre a determinare le caratteristiche meccaniche del materiale: infatti, maggiore è la densità, maggiore è la resistenza a compressione come risulta da una relazione empirica che lega questi due parametri, ovvero:

n K

  , (4.1)

dove  è la resistenza a compressione,  è la densità, n è un fattore empirico minore di 2. Ovviamente, però, nelle applicazioni pratiche, la densità non può essere eccessiva, visto che uno dei maggiori vantaggi nell’impiego delle materie plastiche è proprio costituito dalla leggerezza.

Caratterizzazione meccanica, fisica e morfologica 35 V m   . (4.2)

4.2.2 Conducibilità termica

La conducibilità termica viene misurata secondo la norma UNI 7745 (metodo dei termoflussimetri), mediante un termoconduttimetro. Il campione si pone tra due piastre mantenute a temperature diverse, come illustrato in Figura 4.2.

Figura 4.2 Schema delle parti di un conduttimetro.

A seguito del gradiente termico che si crea tra le due superfici si instaura un flusso di calore Q/A [mW/m2] che attraversa il campione, valutato mediante un trasduttore che copre un’area pari a 100 [cm2], molto inferiore alle dimensioni della sezione del campione (400 [cm2]) al fine di evitare possibili flussi di calore laterali che falsino la misura (effetto bordi). Misurando Q, noto il gradiente di temperatura T [K], l’area del campione in contatto con le piastre A [m2] e lo spessore del provino s [m], si può valutare la conducibilità termica k [mW/m*K] dalla legge di Fourier (5.3):

T A s k Q   , (4.3) e quindi: T A s Q k     . (4.4)

Come già accennato, va ricordato che minore è la conducibilità termica, maggiore è il potere isolante del materiale.